全天候太阳能自动跟踪系统装置的研究

时间：2024-05-19

郑锋王炜灵陈健强陈泽群张晓薇

（华南理工大学，广东广州510641）

0 引言

太阳能是当今最受关注的一种能源，全球正面临着能源危机，经济发展中对环境保护的要求越来越高，所以新能源的开发和利用成为热点。太阳不仅提供地球生物基本的生活物质，其光能还能转化为电能被利用。太阳能是真正意义上的取之不尽用之不竭的资源，可以供人类长时间使用。太阳能绿色，安全，可持续利用，在未来得到前所未有的发展。

1 全天候太阳能自动跟踪系统装置的设计

1.1 全天候太阳能自动跟踪装置的硬件设计

1.1.1 概述

整个装置的硬件设计主要包括太阳方位检测模块、光强检测模块、风速检测模块的设计。

1.1.2 检测部分

图1

检测模块主要是通过固定在太阳能电池板上，且与板面平行的太阳方位检测传感器和光强检测传感器来分别检测太阳方位变化和光强变化，进而驱动跟踪装置进行太阳跟踪。检测模块的设计主要基于光电效应。当光线照在太阳能板上，光电传感器在电路中的电气量（电流、电阻）会发生变化，本文中采用的是光敏电阻，因此发生变化的电气量是光敏电阻的阻值。光敏电阻的阻值会随着光照强度的增加而减小，如果两个光敏电阻串联在同一个回路，当两个光敏电阻接受光照不同时，两个光敏电阻连线中点的电压就会不同，即把太阳方位的状态量转换为变化的电压的电气量。

方位检测部分通过四个光敏电阻组成桥式电路，并采用一块2.5V 硅片作为阴晴白夜检测，同时巧妙地将硅片作为光敏电阻的遮挡元件。当检测模块对准太阳时，单片机两个引脚P1.1 和P1.2 采集到的电压为2.5V，当未对准太阳时，电压为1-4V（如图1）。

1.1.3 风力保护部分

系统运行过程中，现场自然环境随时可能发生变化，强风来袭的情况下，若不采取及时的保护措施，很有可能造成机械结构损坏，对系统造成难以挽回的损伤。因此系统设置了强风保护模式，实时监测实际环境的风速，当检测到强风来袭时，系统自动切入风力保护模式，将太阳能电池板放平，从而减小风对太阳能电池板的作用力，保护太阳能电池板不受破坏，提高发电系统的安全性和可靠性。

当风力级数大于8 级（风速17.2～20.7m/s），三杯式风速传感仪所输出的电流信号在13.5mA 以上时，控制器判定当前风速有可能损坏平台，立即将太阳能电池板放平。风力检测电路中使用了三杯式风速传感器来检测风速，当风吹动风速杯转动时，风速传感器会输出与风速成正比的电流信号，将4-20mA 电流信号转成0-5V 电压信号后输入到单片机的AD 通道中，通过判断电压信号的大小来判断风力大小。当风力达到8 级（可通过程序设定）时，单片机通过AD 转换后得到的电压判断出此时应该切入强风保护模式。

1.2 太阳能自动跟踪装置的软件设计

1.2.1 系统的工作过程

高精度太阳能跟踪控制器采用光电跟踪和视日轨迹跟踪两种模式来综合实现。视日轨迹跟踪方式在阴天时根据天体运行规律，实时计算出太阳的位置，使跟踪器定位到一定的范围。光电跟踪则在晴天实时跟踪太阳轨迹，提高太阳能的利用率。视日轨迹跟踪可以提高系统的抗干扰能力。由于外界自然环境复杂多变，天空中飞起的树叶或生活垃圾，以及云层的运动都会对传感器检测造成干扰，使跟踪器产生很大的跟踪误差。所以采用这种高精度太阳能跟踪控制器可以提高跟踪的精度和抗干扰能力。

系统首先初始化，对寄存器和变量的初始化。当风力保护检测到风力大于6 级，启动风力保护装置，使太阳能装置放平，以减少风阻保护装置。当风力正常则进行下一步（图2）。

1.2.2 视日轨迹跟踪系统

通过单片机时钟模块读取当前时间，然后由所在地的经度，纬度，通过天体运行公式计算当前的太阳高度角和方位角。把太阳的高度角和方位角转换成直流电机所要转动的步数和方向，控制电机转动。若电机转到计算的位置，则根据由硅光电池传感器通过信号处理电路采样得来的信号，来判断电机是否转到的精确定位位置。然后依次判读电机是否对准太阳的高度角和太阳方位角。

图2

对于视日轨迹跟踪,一般采取间歇跟踪方式。首先，根据跟踪装置所在地的经度、纬度、当前日期、时间等参数,由太阳运行轨迹算法即可计算出太阳日出、日落时间,以及从日出至日落某些时刻太阳的方位角与高度角;其次,获得跟踪装置在某时刻的方位角和高度角;然后,分别比较太阳方位角、高度角与跟踪装置方位角、高度角，获得方位角偏差和高度角偏差,当方位角偏差大于许用方位角偏差时,控制方位角跟踪机构运动使得方位角偏差为零或在一定误差范围内,同理,当高度角偏差大于许用高度角偏差时,控制高度角跟踪机构运动使得高度角角偏差为零或在一定误差范围内。

1.3 太阳能自动控制装置的机械设计

如图所示为太阳能跟踪装置的机械结构总体外观图。主要由四部分构成:底座支架、水平旋转机构、竖直旋转机构、太阳能电池板支撑机构。

水平旋转机构由直流电机、电机固定箱、轴承和中间立轴组成。水平轴电机通过减速齿轮可以带动中间立轴转动，进而带动整个太阳能电池板平台水平方向转动。直流电机输出轴通过1:100 减速齿轮与中间立轴相连。竖直旋转机构由直流电机、同步带轮、转轴、轴承座、太阳能电池板支架等组成。竖直机构通过传动带轮实现电池板在竖直平面内的倾角调整，可实现竖直方向90 度旋转。

图3